Technische Universität Wien
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2013-06-21 [

Florian Aigner

 | Büro für Öffentlichkeitsarbeit ]

Wo die Drachen wohnen

In der Festkörperphysik gibt es noch immer wichtige unerklärte Phänomene. An der TU Wien gelang es nun, genau vorherzusagen, wo die Grenze zwischen dem Gültigkeitsbereich bekannter Theorien und dem unerforschten Gebiet verlaufen muss.

Hier wohnen Drachen!

Georg Rohringer, Thomas Schäfer und Alessandro Toschi (v.l.n.r.) - mit der an der TU Wien berechneten Orientierungskarte.

Auf mittelalterlichen Seekarten wurden unerforschte Gebiete gerne mit Fabelwesen und bedrohlichen Tieren verziert. „Hier wohnen Drachen“ war ein klarer Hinweis: In dieser Gegend geschieht Unerklärliches. Trotzdem ist eine Karte, die bekannte von unbekannten Gebieten klar sichtbar trennt, ein sehr nützliches Hilfsmittel.

Ähnlich verhält es sich mit einer Karte festkörperphysikalischer Vorgänge, die nun an der TU Wien berechnet wurde: Erstmals gelang es, klar definierte Grenzen zu ziehen, zwischen metallischen Materialien, die man heute gut verstehen kann, und dem noch immer geheimnisvollen Bereich, in dem offene Rätsel warten – etwa die Hochtemperatur-Supraleitung und die atypische spezifische Wärme in der Nähe des Mott-Hubbard-Übergangs, an dem Metall zum Isolator wird. Diese Kartierung soll nun helfen, die verbleibenden Rätsel aufzuklären.

Bewegliche und gefangene Elektronen
Metalle leiten elektrischen Strom, Isolatoren können das nicht. Verantwortlich dafür sind die Elektronen, die sich in einem Metall recht frei bewegen können, während sie in einem (Mott-) Isolator an einem ganz bestimmten Punkt festsitzen. Allerdings gibt es Materialien, in denen sich ein Übergang von metallischem zu isolierendem Verhalten beobachten lässt. „Steuern lässt sich das in bestimmten Fällen zum Beispiel über den Druck“, erklärt Alessandro Toschi vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Bei hohem Druck rücken die Atome des Festkörpers etwas näher zusammen und es fällt den Elektronen leichter, von einem Atom zum anderen zu wechseln.“ So kann ein Isolator zum elektrischen Leiter werden.

Auch andere, merkwürdige Phänomene sind in der Festkörperphysik bekannt – etwa die Hochtemperatur-Supraleitung. Viele Materialien verlieren ihren elektrischen Widerstand, wenn man sie auf extrem niedrige Temperaturen abkühlt. Strom kann dann völlig verlustfrei fließen. Bei manchen Materialien tritt dieser Effekt in der Nähe eines Mott-Hubbard-Übergangs aber auch schon bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, in manchen Fällen bei mehr als hundert Grad über dem absoluten Nullpunkt, auf. Warum das so ist, wird bis heute intensiv und kontrovers diskutiert.

Wie viel Energie kostet Wärme?
Auch Anomalien der spezifischen Wärme gehören zu den bemerkenswerten Phänomenen: Je weiter man die Temperatur eines Festkörpers absenkt, umso geringer wird die in ihm gespeicherte Wärmeenergie. Dieser Zusammenhang ist aber manchmal nicht gleichmäßig linear wie in normalen Metallen, er zeigt an einer bestimmten Stelle einen Knick – bei niedrigeren Temperaturen muss für eine weitere Abkühlung plötzlich mehr Energie entzogen werden als vorher.

„Viele solche außergewöhnliche Phänomene finden in der Gegend des Mott-Überganges statt, genau deswegen ist dieser Bereich für uns so interessant“, sagt Thomas Schäfer (TU Wien), Erstautor der Publikation, die nun in „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde. Das Team der TU Wien, geleitet von Alessandro Toschi, berechnete gemeinsam mit Kollegen vom Max Planck Institut für Festkörperforschung in Stuttgart (Olle Gunnarsson), von der Universität L'Aquila (Sergio Ciuchi), und der Universität Würzburg (Giorgio Sangiovanni), die Interaktionen der Elektronen im Festkörper für diese interessanten Materialien.

Endlich eine scharfe Grenze!
Bei den aufwändigen Computersimulationen, die unter anderem am Wiener Supercomputer VSC durchgeführt wurden, stellte das Team fest: Aus den Berechnungen ergibt sich eine ganz scharfe Grenzlinie zwischen gewöhnlichem, metallischem Verhalten und den Parameter-Bereichen, in denen herkömmliche Beschreibungsmethoden versagen. „Erstmals können wir diese Grenze mathematisch sauber definieren“, sagt Georg Rohringer (TU Wien).

Mit dieser Grenzziehung ist zwar noch keine Theorie geboren, die festkörperphysikalische Phänomene zufriedenstellend erklärt, doch sie bietet nun endlich eine wertvolle Orientierungshilfe, von der die theoretische Forschung stark profitieren könnte – wie auch eine Seekarte mit gut erkennbarer Küstenlinie sehr nützlich ist, auch wenn sie noch keine Details über alle Meeresströmungen beinhaltet. Über die physikalische Interpretation der Grenzlinie wird noch diskutiert. Ist es vielleicht die Linie, an der sich die ersten gebundenen Elektronenzustände bilden, deren Anzahl dann Schritt für Schritt wächst, bis irgendwann alle Elektronen fest gebunden sind und sich keine Leitungselektronen mehr frei bewegen können? Das Team der TU Wien forscht jedenfalls eifrig weiter. Jetzt weiß man ja, wo man suchen muss.

Originalpublikation in Physical Review Letters

Das Forschungsprojekt ist Teil des FWF Projekts "Quantum Criticality in Strongly Correlated Magnets" (QCM, Nummer I 610-N16) und des vom FWF geförderten Doktorandenkollegs Solids4Fun. 

Nähere Information:
Dr. Alessandro Toschi
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13762